SİLİS DUMANININ ÇELİK LİFLİ BETONUN EĞİLME DAYANIMINA ETKİSİ

Transkript

1 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ. Cilt, No, 11-1, Vol, No, 11-1, SİLİS DUMANININ ÇELİK LİFLİ BETONUN EĞİLME DAYANIMINA ETKİSİ Osman ŞİMŞEK, Mürsel ERDAL ve Emre SANCAK Yapı Eğitimi Bölümü, Teknik Eğitim Fakültesi, Gazi Üniversitesi, 6, Teknikokullar, Ankara (Geliş/Received:.9.; Kabul/Accepted: 7.1.) ÖZET Bu çalışmada, çelik lifli betonlarda %,., ve oranlarında silis dumanı (SD), çimento ile yer değiştirilerek kullanılmıştır. Numuneler, C sınıfında, su/çimento (w/c) oranı,. olacak şekilde seçilmiş ve masa tipi vibratörle sıkıştırılarak üretilmişlerdir. xx mm boyutlarında üretilen prizma numuneler üzerinde, orta noktasından yüklemeli eğilme deneyi yapılmıştır. Sonuç olarak, çelik lifli betonlara % SD katılması, lifli betona göre eğilme dayanımında, 8 günde % 3., 9 günde % 3.8 ve günde de % 18.3 lük bir artış sağlamıştır. SD katkılı lifsiz betonların, eğilme dayanımlarında en yüksek değere %. SD oranında ulaşılmış, % ve oranlarında ise azalma görülmüştür. Anahtar Kelimeler : Beton, silis dumanı, çelik lif. THE EFFECT OF SILICA FUME USAGE TO THE FLEXURAL STRENGTH OF CONCRETE REINFORCED WITH STEEL FIBRES ABSTRACT In this study, silica fume (SF) was replaced with cement by the amount of,., and % in the steel fibre reinforced concrete. Concrete samples were produced by. water/cement (w/c) ratio according to C and were compacted by means of table vibrator. Samples having xx mm dimensions were produced and flexural strength test was applied to these samples. According to test results, addition of % SF to steel fibre concrete caused an increase in flexural strength by 3. % for 8 days; 3.8 % for 9 days; 18.3 % for days with respect to control sample. In the concrete in which only SF added (without steel fibre); maximum value of flexural strength was reached in the. % silica fume ratio. Decrease in the flexural strength was detected for and % silica fume ratios. Keywords: Concrete, silica fume, steel fibre. 1. GİRİŞ Betona yeni özellikler kazandırmak ve bazı özelliklerini de belirgin olarak artırmak için içerisine çelik, cam ve polipropilen lifler yanında kimyasal ve puzolanik katkı maddeleri de katılmaktadır. Betonlarda kullanılan lifler, çekme ve eğilme dayanımını arttırmakta, rötre çatlaklarını ise azaltmaktadır [1,]. Şener vd. [3] nin belirttiğine göre, çelik liflerin betona ilavesi ile elde edilen lifli betonda, normal betondan farklı olarak, liflerin varlığı yüzünden beton iki parçaya ayrılmamakta az da olsa yük taşımaya devam etmektedir. Karışım sırasında liflerin topaklaşmasının engellenmesine yönelik tedbirlerin alınması ile çelik lifler, çatlak genişliklerini, çatlak sayısını ve kiriş deplasmanını önemli ölçüde azaltmaktadır. Bununla birlikte, yükün tekrar kaldırılması ile erken yaştaki kirişte bulunan çatlakların kapanma oranının artması durumu deprem yükleri gibi tekrarlı yüklere maruz kalan yapılar için önemli bir avantaj sayılabilir [-]. Lifli betonlarda, maksimum yükten sonra artan deformasyon sonucunda yükün azalma hızı normal betonlara göre çok daha yavaştır. Dolayısıyla, liflerin betonun iç yapısından ayrılması ve uzaması nedeniyle emilen enerji, lifli betonlarda oldukça fazladır. Lifli betonların sünekliği ve tokluğunda da lifsiz betonlara göre önemli artışlar sağlanmaktadır [-6]. Beton

2 O. Şimşek vd. Silis Dumanının Çelik Lifli Betonun Eğilme Dayanımına Etkisi üretiminde kullanılan çelik lifler; değişik kesit ve boyutlarda üretilmektedir. Lifleri tanımlayan öğeler, lif uzunluğu/lif çapı, geometrik yapı ve lifin çekme gerilmesidir. Şimdiye kadar yapılmış tüm çalışmalarda betona lif ilave edilmesiyle, işlenebilirlikte önemli ölçüde azalma, boşluk miktarında ise artış tespit edilmiştir [7,8]. Beton üretiminde puzolanik malzeme olarak genellikle uçucu kül ve silis dumanı (SD) kullanılmaktadır. SD, çimentodan daha ince bir malzeme olması nedeniyle agrega-hamur ara yüzey bölgesini sıkılayıp kuvvetlendirerek boşluğu en aza indirmekte ve betonun basınç dayanımını artırmaktadır. Ayrıca SD, betonda ayrışmayı önleyerek homojenliği olumlu yönde etkilemektedir [1,,9]. Ezeldin ve Balaguru [] betonda, çimento yerine % oranına kadar SD kullanımının betonun çelikle olan aderansını artırdığını belirtmişlerdir. Ayrıca SD, çimento hamurundaki gözeneklerin azalmasını sağlamakta, yapışma özelliğini artırmakta ve daha geçirimsiz bir yapı sağlamaktadır. SD, betonun kuruma hızını ve difüzyon katsayısını da azaltmaktadır []. Hem filler hem de puzolan rolü üstlenen SD tanecikleri çimento hamuru ve agregayı yoğun bir yapıya kavuşturmaktadır. SD, fazla su moleküllerini absorbe ettiği için çimento hamuruagrega arasındaki aderansı kuvvetlendirmekte ve donatının korozyonunu sınırlamaktadır [9]. Bu çalışmada, çelik liflerle güçlendirilmiş betona, SD katılmasının betonun eğilme dayanımına etkisi araştırılmıştır.. MALZEME VE YÖNTEM.1. Malzemeler Beton karışımlarında kullanılan agrega, kalker esaslı kırma agregadır ve -, -16, 16-3 mm tane sınıflarına ayrılmıştır [11]. Bu agregaların yoğunlukları, sırasıyla;.6,.63 ve.67 g/cm 3 tür. Beton üretiminde, PKÇ/B 3. R tipi Portland Kompoze Çimento, Antalya Etibank Elektrometalurji Ferrokrom Tesislerinden temin edilen SD, TS 1 [1] de önerilen ve Beksa tarafından üretilen Dramix verilmiştir. ZC 6/ kodlu çelik lif kullanılmıştır. Çapı 1 mm ve uzunluk/çap oranı 6 olan, iki ucu kıvrılmış kancalı çelik lif (ÇL) Şekil 1 de gösterilmiştir. Yoğunluğu 7.8 g/cm 3, çekme dayanımı 1 MPa dır. Karışım, ASTM C 9-81 tip F e uygun melamin sülfonat polimer esaslı süperakışkanlaştırıcı (SA) ve musluk suyu kullanılarak Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Yapı Laboratuvarında hazırlanmış ve xx mm ebadında toplam 7 adet prizma numune üretilmiştir. Bu numunelerin 9 adedi Kontrol Betonu (KB), 9 adedi Lifli Beton (LB), %., ve oranlarında 7 adedi Silis Dumanlı Beton (SDB) ve yine aynı oranlarda 7 adedi de Silis Dumanlı Lifli Beton (SDLB) dur. Kompoze Portland Çimento ile SD nın fiziksel ve kimyasal özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Çimento ile SD nın kimyasal ve fiziksel özellikleri Kimyasal Bileşim Portland Kompoze Çimento Silis Dumanı (FeSi) SiO Al O Fe O 3.. CaO MgO. --- Cr O SO Kızdırma Kaybı Çözünemez Kalıntı Fiziksel Özellikler Yoğunluk (g/cm 3 ).9.36 Özgül Yüzey (cm /g) 3918 Numunelerin hazırlanmasında kullanılan malzeme miktarları 1 m 3 için Tablo de verilmiştir... Yöntem Karışımların hazırlanmasında C beton sınıfı esas alınmış ve karışımda su/çimento oranı. olarak belirlenmiştir. Katkısız betonlarda, işlenebilirlik için çökmenin 7±1 cm olmasına dikkat edilmiştir [11]. Çimento, ağırlıkça %., ve oranlarında silis dumanı ile yer değiştirilmiştir. Ayrıca karışımlara çimento ağırlığının % si oranında SA katılmıştır. Beton karışımında çelik lif, TS 1 [1] e göre ilave edilmiş ve her karışım serisi aynı günde, mikserde önce kuru karışım, daha sonra çelik lif ilave edilerek 1. dakika tekrar kuru karışım, çelik lifin homojen bir şekilde dağılımı sağlandıktan sonra ise su ilave edilerek yeniden karışım yapılmıştır. SD ve SA, karışım suyu ile bulamaç haline getirilerek eklenmiştir. Hazırlanan numuneler 8, 9 ve güne kadar ± o C de ve aynı ortamda küre tabi tutulmuştur. Eğilme deneyinde kn kapasiteli, N hassasiyetli, dijital kumanda üniteli ve yükleme hızı istenildiği gibi ayarlanabilen test cihazı kullanılmıştır. Mesnetler arası açıklık (l) mm ve. Şekil 1. Çelik lifin boyutları (ölçüler mm dir) 1 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt, No,

3 Silis Dumanının Çelik Lifli Betonun Eğilme Dayanımına Etkisi O. Şimşek vd. Karışım No Tablo. 1m 3 taze betonu oluşturan malzeme miktarları AGREGA (kg) SD Çimento SA Su Çelik Lif Beton Tipi Tane Sınıfları (mm) (kg) (kg) (lt) (lt) (kg) KB SDB SDB SDB LB SDLB SDLB SDLB prizma üzerine yükleme l/ noktasından yapılmıştır. Yükleme hızı 7 N/s dir. Deney yükleme düzeneği Şekil de verilmiştir. L/ P L/ b= mm Çekme bölgesindeki gerilmenin bileşkesi Pl T1 = (3) 1d Pl σ = () 3bd olarak elde edilir. Şener ve ark. [3], lifli betonun eğilme dayanımı gerilme diyagramının normal betonlardaki gibi açıklanamayacağını belirtmişlerdir. Bu araştırmaya göre, lifsiz ve lifli betonun gerilme diyagramı Şekil 3 te verilmiştir. d/ d/ d/ mm (a) Deney Numunesi Z 1 l= mm L= mm C1 T 1 Kiriş eğilmesindeki gerilme dağılımını belirlemek için aşağıdaki varsayımlar kullanılmıştır. a. Çekmede gerilme-uzama orantılı değildir. b. Lifli beton çekme ve basınçta farklı davrandığı için tarafsız eksen ağırlık merkezi değildir. c. Elastik davranış varsayımı ile bulunan eğilme çekmesi direk çekmenin 3 katına yakındır. d. Gerçekte olmadığı halde elastik davranışı tasarımda kullanmak yeterlidir [3]. Lifli betonda; Moment Ps M = (1) Kuvvet kolu 3d z 1 = () d/ d/ mm Şekil. Deney yükleme düzeneği Şekil 3. Kiriş eğilmesinde (a) lifli beton, (b) lifsiz beton gerilme dağılımı mm (b) Z C T d= mm Lifsiz betonda ise; Kuvvet kolu z = d / 3, çekme bölgesindeki gerilmenin bileşkesi ise T = 3Pl / d, σ = Pl /3bd dir. Burada; P : Kırılma yükü (N), l : Mesnetler arası açıklık (mm), b : Kırılma kesitinin ortalama genişliği (mm), d : Kırılma kesitinin ortalama yüksekliği (mm), T : Çekme bölgesindeki gerilme. 3. DENEYSEL BULGULAR VE TARTIŞMA Beton prizmalar üzerinde yapılan eğilme deneyi sonucunda; Lifsiz betonlarda gevrek kırılma meydana gelmiş ve iki parçaya ayrılmışlar, lifli betonlarda ise çatlamalar oluşmuş ancak elastik çökme meydana gelerek hemen iki parçaya ayrılmayıp az da olsa yük taşımaya devam etmişlerdir. Prizmalarda görülen bu kırılma bir çok araştırmayla paralellik göstermektedir. SDB da gevrek kırılma daha belirgin olarak görülmektedir. SD, lifli betonlarda aderansı artırıcı bir etki gösterdiğinden prizmalarda meydana gelen gerilme çatlakları maksimum eğilme gerilmesinin olduğu bölgede yoğunlaşmıştır. Deney sonuçlarının, aritmetik ortalamaları ve standart sapma değerleri Tablo 3 te verilmiştir. Tablo 3 incelendiğinde, SD kullanım oranı artıkça lifsiz betonun eğilme dayanımında bir azalma meydana gelmiştir. Bu durum, Şekil ten de görüleceği gibi günlük eğilme dayanımlarında daha nettir. 8. ve 9. günlerde %. SD oranı için bir artış olmuş; Ancak, % ve % oranlarında aksine bir azalma meydana gelmiştir. SD katkısının %. olduğu 8 günlük lifsiz betonlarda, KB a göre % 8.7 lik bir artış olurken, % ve SD katkılı lifsiz betonlarda aksine KB a göre Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt, No, 13

4 O. Şimşek vd. Silis Dumanının Çelik Lifli Betonun Eğilme Dayanımına Etkisi Tablo 3. Lifsiz ve lifli betonların eğilme dayanımı değerleri Beton SD Lifsiz Beton Lifli Beton yaşı (gün) Oranı (%) Ortalama (MPa) Standart Sapma Ortalama (MPa) Standart Sapma 8 9 % 1.7 ve % 19.8 lik bir düşüş yaşanmıştır. 9 günlük SDB larda, KB a göre sadece %. katkı oranında % luk bir artış yaşanmış, diğer oranlarda önemli bir değişiklik olmamıştır. günlük SDB larda ise sırasıyla KB a göre %. katkı oranında % 7.1, % katkı oranında % 1.7 ve % katkı oranında da %.1 lik bir düşüş olmuştur. Eğilme Dayanımı (MPa) Sadece çelik lif katılması ile 8 günlük betonun eğilme dayanımında KB a göre % 6.3, 9 günlükte %. ve günlükte de % 1.3 lük bir artış meydana gelmiştir (Şekil ). Lifli betonlarda SD katkısının kullanılmasıyla birlikte, 8 günlük %. SDLB un eğilme dayanımında LB a göre % 3.7 lik, % SDLB da % 1.1 ve % SDLB da da % 3. lik bir artış olmuştur. 9 günlük %. SDLB da % 1.8, % SDLB da %. ve % SDLB da da % 3.8 lik bir artış meydana gelmiştir. Aynı şekilde günlük %. SDLB da % 3., % SDLB da % 13. ve % SDLB da da % 18.3 lük bir artış olmuştur. En yüksek eğilme dayanımını 9 günlük ve % SDLB lar vermiştir.. SONUÇLAR Gün 9.Gün.Gün , Katkı oranı (%) Şekil. Lifsiz betonların SD oranı-eğilme dayanımı ilişkisi Beton prizmalar üzerinde yapılan eğilme deneyi sonucunda; 1. Lifsiz betonlarda gevrek kırılma olmuş ve prizmalar iki parçaya ayrılmışlar.. Betonlara çelik lif ilave edilmesi göçme gevrekliğini azalmıştır. Eğilme Dayanımı (MPa) Gün 9.Gün.Gün 3. SD kullanım oranı artıkça lifsiz betonun eğilme dayanımında azalma meydana gelmiş; Ancak lifli betonun eğilme dayanımında aksine bir artış olmuştur.. SD, lifli betonlarda aderansı artırıcı bir etki göstermiş ve bundan dolayı prizmalarda meydana gelen gerilme çatlakları maksimum eğilme gerilmesinin olduğu bölgede yoğunlaşmıştır.. SD ilavesi betonların eğilme dayanımlarında ilk 9 gün için bir artış sağlarken, daha sonraki yaşlarda bu artış oranı düşmüştür. KAYNAKLAR, Katkı oranı (% ) Şekil. Lifli betonların SD oranı-eğilme dayanımı ilişkisi 1. Yeğinobalı, A., Silis Dumanı ve Çimento ile Betonda Katkı Maddesi Olarak kullanılması, TÇMB/AR-GE/ Y1.1 3.Baskı, Ankara, 3.. Arslan, A., ve Ulucan, Z., Çelik Liflerin Erken Yaştaki Betonarme Kirişlerin Göçmesine Etkisi İMO Teknik Dergi, Cilt 8, No, 7-11, Şener, S., Begimgil, M. and Belgin, A. Size Effect on Failure of Concrete Beams With and Without Steel Fibers ASCE Journal of Materials in Civil Engineering, 1,, 36-,.. Khayat,K.H. and Aitcin P.C., Silica Fume in Concrete: an Overview, ACI SP-13, 83-86, ACI, Detroit, Tokyay, M., Ramyar, K., Turanlı, L., Polipropilen ve Çelik Lifli Yüksek Dayanımlı Betonların Basınç ve Çekme Yükleri Altındaki Davranışları,. Ulusal Beton Kongresi, Yüksek Dayanımlı Beton, İstanbul, 33-3, Taşdemir, M. A., Bayramov, F., İlki, A., Yerlikaya, M., Prefabrik Elemanlar İçin Çelik Tel Donatılı Betonlar Beton Prefabrikasyon Dergisi, No 63, -1,. 7. Sancak, E., Ünal, O., Hafif Betonda Çelik Lif Kullanımının Beton Özelliklerine Etkisi, A.K.Ü. Fen Bilimleri Dergisi,, 1, 79-88,. 8. Arıoğlu, E., Arıoğlu, B., Girgin, C., Tünellerde Çelik Lifli Püskürtme Beton Kaplama Tasarımı Mekanik Büyüklükler ve Kalite Kontrol İlkeleri 1 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt, No,

5 Silis Dumanının Çelik Lifli Betonun Eğilme Dayanımına Etkisi O. Şimşek vd. Çelik Tel Donatılı Betonlar Sempozyumu, Sabancı Center, İstanbul, Şimşek, O., Beton ve Beton Teknolojisi, Seçkin Basım ve Dağıtım, Ankara,.. Ezeldin, A. and Balaguru, P., Bond Behavior of Normal and High-Strength Fiber Reinforced Concrete ACI Materials Journal, v. 86, n., 1-, TS 8, Beton Karışımı Hesap Esasları, TSE, Ankara, TS 1, Çelik Telleri Betona Karıştırma ve Kontrol Kuralları, TSE, Ankara, 199. Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt, No, 1